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事故性泄漏动力学过程的理论与实验研究

潘旭海

  在过程工业及相关行业中,易燃易爆及有毒有害物质在生产、储存和运输过程中经常发生事故性泄漏。泄漏发生后,泄漏物质在地面上形成液池,挥发出有毒有害蒸气;或直接进入大气,扩散开去。所有这些都严重危害了附近人员的身体健康,其所带来的严重后果和环境与社会问题远远超过了事故本身,严重地影响了当代过程工业及相关行业的顺利与健康发展。因此,开展危险性物质事故性泄漏动力学过程研究,对于科学预防事故性泄漏的发生以及指导紧急救灾具有重要理论价值和实践意义。本文对自 1949 年 10 月至 1999 年 12 月我国化工系统内所发生的重(特)大、典型事故性泄漏进行了统计分析。根据事故发生频率和造成的伤亡人数,统计得到在我国应优先考虑并控制的 8 种危险化学品依次是:液氯、液氨、液化石油气、氯乙烯、苯、一甲胺、一氧化碳和硫化氢。通过对事故进行分析,总结了 7 种影响泄漏扩散的主要因素,建立了 16 种事故性泄漏模式。针对有毒有害液体泄漏后在地面上的蔓延和蒸发,从动力学角度入手,对其进行了理论研究和分析。根据质量守恒定律,将液池蔓延过程和蒸发过程进行了有机地结合,推导建立了动态液池蒸发模型。对液池蒸发中的热量传递进行了较详细地分析,在此基础上,建立了液池蒸发的传热传质耦合计算模型。根据边界层理论,推导建立了层流和湍流环境下的液池蒸发理论模型。为了研究纯液体和混合液体蒸发机理上的不同,设计建立了液池蒸发风洞实验装置,分别对纯液体(包括苯、甲苯和乙醇)、两组分混合液体(苯与甲苯混合溶液、苯与乙醇混合溶液)以及多组分混合溶液(石脑油和原油)进行了较为全面的研究。实验研究结果表明,纯液体和两组分液体的蒸发是受边界层蒸发控制的;而石脑油的蒸发在一定程度上受边界层蒸发控制;原油的蒸发则不受边界层蒸发控制,而是受基本蒸发控制。在蒸发质量随时间变化规律方面,纯液体的蒸发质量与时间 t 呈正比,石脑油的蒸发质量与 t0.7呈正比,原油的蒸发质量则与 t0.55呈正比。对于两组分混合溶液的蒸发,其蒸发质量与时间的关系随组分物质和组分比例的不同而不同,但却有规律可循,即:⑴两组分之间的蒸发性能或体积百分比越接近、蒸发质量与时间越容易表现出乘幂的变化关系,⑵环境风速越大或液池蒸发面积越 I大,蒸发质量与时间越容易表现出乘幂的变化关系。根据实验数据,拟合得到了新的液池蒸发计算关系模型,该模型的预测结果比常用的 Mackay & Matsugu 模型的预测结果更接近实验测量值。为了进一步考察太阳辐射对蒸发过程的影响,进行了开放空间现场蒸发实验。实验结果表明,太阳辐射对液体的蒸发影响很大,计算过程中必须考虑热量传递。通过将本文新建的蒸发关系模型以及 Mackay &Matsugu 模型的预测结果同现场实验数据进行比较,表明 Mackay & Matsugu 模型更适合于太阳辐射较强场合的蒸发计算,其预测平均偏差为 16%。本文新建的模型则更适合于太阳辐射较弱或不存在太阳辐射场合的蒸发计算,其预测偏差在±5%以内。根据纯液体和两组分混合液体的蒸发实验数据,对本文建立的蒸发过程传热传质耦合计算模型进行了验证,结果表明该模型能够比较准确地预测液体的蒸发质量和液体温度随时间的变化。另外,对基于边界层理论的蒸发模型进行了实验验证,并将新建的理论模型的预测偏差同 Mackay & Matsugu 模型,GRAY 模型,BAU 模型、SUBTEC 模型、EPA 模型、NIOH-1 模型和 NIOH-2模型的预测偏差进行了比较。结果表明,本文基于层流边界层理论建立的蒸发计算模型的模拟计算结果与实验值的平均偏差约为 33.5%,模拟计算精度仅次于Mackay & Matsugu 模型、NIOH-1 模型和 SUBTEC 模型。针对物质泄漏后所形成的气云绝大多数属于重气云,本文着重开展了重气云扩散理论的研究。通过将真实气体状态方程和气体混合规则引入到箱模型中,对现有的箱模型进行了改进。根据 Thorney Island Trial No. 008 试验的实验数据,对改进后的箱模型进行了验证,并同 IIT Heavy Gas Models 模型的预测结果进行了比较。结果表明,改进后的箱模型的模拟结果平均比实验值偏大 8.93%,从安全的角度来看是有利的。在模拟准确度方面,采用改进后的箱模型的预测结果与试验观测值的平均偏差为 21%,低于采用 IIT Heavy Gas Models 模型预测结果与试验观测值之间 25.67%的平均偏差,其模拟精度比 IIT Heavy Gas Models 模型高。为了进一步简化模拟计算过程,避免求解微分方程,提高计算速度,本文在总结现有重气扩散模型的基础上,建立了 LTA-HGDM 模型(Heavy Gas DispersionModel in Laminar and Turbulent Atmosphere,即层流及湍流大气环境中的重气扩散模型)。并将该模型的模拟计算结果同 Thorney Island Trials 系列试验结果及其它数值模型(如 IIT Heavy Gas Model 、HEGADAS 模型、MARIAH 模型、Eidsvik模型和 Cox 模型)的模拟结果进行了比较。结果表明,LTA-HGDM 模型的模拟II计算精度与这些模型相当,但却避免了求解微分方程,提高了计算速度。最后,结合本研究工作所取得的成果和前人的研究成果,研制开发了事?……   
[关键词]:事故性泄漏;泄漏模式;液池蒸发;重气扩散;模拟计算;软件开发
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:南京工业大学2004年
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